磷酸银和硫化钴锰超级电容器电极材料的制备及其电化学性能

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超级电容器作为一种新型的储能器件,相比于传统的蓄电池、锂离子电池、燃料电池等,具有大功率密度、快速充放电和优异的循环稳定性等优点,已经在新能源汽车、航空航天、工业电力等众多领域占有重要的地位。超级电容器性能主要取决于电极材料,因此研究新型的超级电容器电极材料是近年来的一个热点。过渡金属化合物拥有较高的理论比容量和多种电化学反应活性,在储能领域受到了广泛的研究和发展。与碳材料相比,过渡金属化合物机械稳定性和导电率较低,限制了其应用。磷酸盐和硫化物储量丰富、绿色环保、比容量高,非常适合做电极材料。本文分别制备了磷酸银和硫化钴锰两种电极材料,采用三电极体系测定了其储能性能。具体研究结果如下:(1)以AgNO3和Na2HPO4·12H2O为原料,通过液相沉淀法合成球状Ag3PO4纳米颗粒,并通过添加尿素在高温下合成氮掺杂磷酸银复合材料(N-Ag3PO4),研究了N元素含量对其电化学性能的影响。SEM照片显示,掺氮后Ag3PO4颗粒尺寸变小,团聚现象减少,这有利于缩短离子迁移路径,增大电极材料的活性位点。在1 M KOH电解液,电压范围为0-0.5 V,电流密度为1 A·g-1时,N-Ag3PO4-6样品的放电比容量高达1314.9 F·g-1,电极的库伦效率均在95%以上,在10 A·g-1的高电流密度下仍具有716.6 F·g-1的放电比容量,表现出良好的倍率性能。(2)以Co(NO3)2·6H2O,Mn(CH3COO)2·4H2O和Na2S·9H2O为原料,在含阳离子型表面活性剂CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)或者SDS(十二烷基硫酸钠)的水溶液中,采用连续离子吸附层反应法,直接在泡沫镍上原位合成了Co S,Mn S,Mn Co S纳米薄膜材料,研究发现Mn Co S复合材料的电化学性能优于单一Co S,Mn S材料。SEM测试表明,与无表面活性剂的情形相比,在CTAB存在下,Mn Co S薄膜中颗粒的团聚现象显著减少,分散性明显改善,有利于降低电极材料的内阻,提高电极材料的电导率,从而提高Mn Co S的电化学性能。Mn Co S-CTAB电极在1 A·g-1时比电容高达2029.8 F·g-1,远高于Mn Co S-SDS(1500.2 F·g-1)和Mn Co S-H2O(950.4 F·g-1)。Mn Co S-CTAB电极在10 A·g-1下比容量为1371.9 F·g-1,循环1000圈后仍有974.0 F·g-1,电容保持率为71%,表现出良好的倍率性能和长循环寿命,比容量、倍率性能和稳定性比磷酸银好。(3)采用表面活性剂辅助的连续离子吸附层反应法制备纳米薄膜电极方法具有操作简单,比容量高、倍率性能和循环充放电性能好的优点,应用前景良好。
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